聚丙烯纤维长径比对再生透水混凝土改性研究

梁家红

(固始县公路管理局，河南 固始 465200)

透水混凝土相较传统水泥混凝土具有透水、降噪以及轻质等优点，目前已广泛应用于市政工程的人行道、广场道路等非机动车道[1-4]。同时，随着我国基础建设的急速发展，石料等不可再生资源的短缺问题凸显，但基础设施建设产生的建筑废料的处治也成为一个较为棘手的问题[5-7]。为促进资源的2次利用，降低全行业的碳排放，我国也在积极推行固废资源的有效使用[8-9]。其中，再生透水混凝土即为其中之一，我国目前已发布了相应的行业标准以规范再生透水混凝土在路面工程中的应用[10-15]。但相较水泥混凝土以及新集料透水水泥混凝土，再生透水混凝土由于组成材料再生骨料存在潜在的微裂缝，在相关性能方面存在一定缺陷[5-6]，为此有必要对其进行改性处理[16-18]。

本文拟采用混凝土常用改性剂聚丙烯纤维，研究其长径比对再生透水混凝土性能影响。通过采用2种直径纤维，不同长径比对再生透水混凝土进行改性，分别研究其对抗压强度、劈裂抗拉强度、连续孔隙率、透水系数以及耐磨性能影响规律，为再生透水混凝土的改性研究提供参考。

1.1 试验材料

(1)水泥：P·O42.4级普通硅酸盐水泥，比表面积为350 m3/kg，其余各项基本性能指标均满足规范要求；

(2)粗骨料：天然粗骨料选用粒径为10～20 mm的碎石；
再生粗骨料选用由废弃混凝土路面破碎筛分而成的10～20 mm混凝土块。粗骨料的主要技术指标如表1所示。

表1 粗骨料的基本技术指标Tab.1 Basic technical indicators of coarse aggregates

(3)纤维：选用直径分别为31、450 μm的聚丙烯细纤维和聚丙烯粗纤维，其中聚丙烯细纤维长度分别为6、12、18和24 mm；
聚丙烯粗纤维长度分别为15、30、45和60 mm，其性能指标如表2所示；

表2 聚丙烯纤维性能指标Tab.2 Performance indexes of polypropylene fiber

(4)水：城市生活用水。

1.2 试验设计

为了探讨聚丙烯纤维掺量及长径比对再生骨料透水混凝土性能的影响，选定水灰比为0.3，再生骨料取代率分别为0%、50%；
聚丙烯纤维掺量以体积百分比方式掺入再生骨料透水混凝土，聚丙烯粗、细纤维掺量分别为4.5%、0.6%。为了便于表述，将天然、再生和聚丙烯纤维再生透水混凝土分别记为NPC、RPC、PRPC；
透水混凝土的配合比设计如表3所示。

表3 透水混凝土的配合比设计Tab.3 Design of pervious concrete

1.3 试验方法

1.3.1力学性能试验

透水混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度试验仪器均采用万能试验机，试件尺寸均采用100 mm×200 mm的圆柱体，测试龄期均为28 d。

1.3.2透水性能试验

根据CJJ/T 253—2016、CJJ/T 135—2009中相关标准进行透水混凝土的连续孔隙率、透水系数试验。其中，采用变水头法测定试件的透水系数，试件尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm的立方体。

1.3.3耐磨性能试验

采用洛杉矶磨耗机测试透水混凝土的耐磨性能，磨耗机速率设定为30 r/min，磨耗试件尺寸为100 mm×200 mm的圆柱体。

在不掺加纤维条件下，通过对天然NPC、再生骨料RPC透水混凝土进行力学性能、透水性能以及耐磨性能试验，结果如表4所示。

表4 NPC、RPC的性能测试结果Tab.4 Performance test results of NPC and RPC

由表4可知，相较天然NPC透水混凝土，RPC透水混凝土抗压强度增大。其中，NPC的抗压强度为6.32 MPa；
而RPC的抗压强度为7.27 MPa，尽管再生骨料的密度强度较低且压碎指标较大，但抗压强度较前者仍增大了16.8%。这主要原因是再生骨料经过破碎处理后其表面比较粗糙，能够促使水泥浆与骨料间包裹更为充实，因此透水混凝土的抗压强度增大。RPC劈裂抗拉强度、连续孔隙率、透水系数减小，质量损耗率增大，表明在上述性能方面再生集料对透水混凝土具有不利影响。其中，RPC的劈裂抗拉强度较于NPC降低了10.3%左右，其原因是再生骨料经破碎处理后产生了少量的微小裂纹，故在拉应力作用下易出现损坏。RPC的透水系数与连续孔隙较于NPC分别降低了2.2%、7.7%，这主要原因是再生骨料经过机械破碎后表面粗糙且含微裂纹；
同时其内部结构也存有一定缺陷，在搅拌混合时易出现破损现象，从而产生部分小颗粒填充于骨料孔隙间，致使RPC的透水性降低。NPC和RPC的质量损耗率分别为26.44%、27.95%，RPC较于NPC增大了5.7%，这主要原因是再生骨料的各项性能均低于天然骨料，故RPC的耐磨性较于NPC略差。

根据试验设计，将粗、细2种纤维材料分别掺入再生透水混凝土中，分别研究不同长径比试验条件下对再生透水混凝土各项性能指标影响。

2.1 28 d抗压强度

不同长径比聚丙烯粗、细纤维再生透水混凝土的28 d抗压强度试验，结果如图1所示。

图1 纤维长径比对抗压强度的影响曲线Fig.1 Effect curve of fiber length ratio on compressive strength

从图1可以看出，掺加粗纤维再生透水混凝土强度显著高于细纤维。这是由于粗纤维强度相对较大，在透水混凝土的多孔隙结构下仍可起到一定的加筋作用；
而细纤维抗拉强度相对较小，反而对抗压强度有一定的削弱作用。掺入直径31 μm的聚丙烯细纤维后PRPC的28 d抗压强度均低于RPC，且随着聚丙烯细纤维长径比的增大，PRPC的抗压强度呈现一定的波动，但整体仍呈现下降趋势。原因可能是聚丙烯细纤维强度较低，且由于聚丙烯为疏水材料，细纤维掺入再生透水混凝土后，其对混凝土强度的加筋不强作用小于其对混凝土整体结构干扰的削弱作用，因此导致抗压强度的降低。且长径比越大，纤维长度越大，其对混凝土的贯穿削弱更为显著，最后表现为长径比越大，28 d抗压强度越低。掺入450 μm的聚丙烯粗纤维后PRPC的28 d抗压强度呈现先增大后减小的趋势，且减小后强度仍大于未掺纤维再生透水混凝土，表明450 μm聚丙烯粗纤维对再生透水混凝土28 d抗压强度具有较好的增强作用。这是由于粗纤维掺入后，对再生透水混凝土起到了良好的加筋作用，且长径比越大时，纤维长度越大，纤维对混凝土的缠绕增强效果更明显。但长径比并非越大越好，由于掺量固定，长度过大时，纤维数量减小，尽管长度越大可能加筋效果越明显，但较少量的纤维对混凝土试块补强区域减小，二者综合作用导致再生透水混凝土抗压强度降低。

2.2 劈裂抗拉强度

不同长径比聚丙烯粗细纤维再生透水混凝土的劈裂抗拉强度试验，结果如图2所示。

图2 纤维长径比对劈裂抗拉强度的影响曲线Fig.2 Effect curve of fiber length ratio on compressive strength

从图2可以看出，相较RPC，掺入直径31 μm聚丙烯细纤维后PRPC的劈裂抗拉强度呈现先减小、后增大，最后线性降低的变化趋势。这表明细纤维对劈裂抗拉强度改善存在最佳长径比，该最佳长径比为387，此时纤维长度为12.0 mm。纤维长径比过小，同抗压强度影响规律一致，纤维的加筋效果小于其对再生透水混凝土的削弱效果。纤维长径比过大时，纤维数量有限，改性效果反而降低。掺入直径450 μm聚丙烯细纤维后PRPC的劈裂抗拉强度初期为小幅增长，后期显著增强，然后呈现降低趋势。这表明只有当粗纤维长径比达到一定范围时，才会对再生透水混凝土劈裂抗拉强度起到增强效果。其中，对劈裂抗拉强度改善最佳长径比为100，此时纤维长度为45 mm。

就整体而言，在2种纤维最佳长径比下，粗纤维对再生透水混凝土劈裂抗拉强度增强效果仍显著高于细纤维。

2.3 连续孔隙率与透水系数

不同长径比聚丙烯粗细纤维再生透水混凝土的连续孔隙率、透水系数试验，结果如图3所示。

图3 纤维长径比对连续孔隙率与透水系数的影响曲线Fig.3 Effect curve of fiber length ratio on continuous porosity and water permeability coefficient

从图3可以看出，2种纤维在不同长径比试验条件下，再生透水混凝土孔隙率与透水系数呈现相似的变化规律。这是由于2个指标测试机理存在一定的内在关联，即连续空隙率越大，透水混凝土的渗水性能越强。根据CJJ/T 253—2016对透水混凝土面层透水性能要求可知(如表5所示)，所有试样透水性能均满足规范要求。

表5 透水水泥混凝土面层透水性能要求Tab.5 Water permeability performance requirementsof permeable cement concrete surface layer

(1)相较未掺纤维的RPC，掺入直径31 μm聚丙烯细纤维后PRPC的连续孔隙率与透水系数呈现先增大，后减小再增大的变化趋势。但总体而言，除长径比为400时透水系数外，再生透水混凝土连续孔隙率及透水系数均较未掺纤维的透水混凝土大，这表明聚丙烯细纤维的掺入有助于提高再生透水混凝土的透水性能；

(2)相较未掺纤维的RPC，掺入直径450 μm聚丙烯粗纤维后PRPC的连续孔隙率与透水系数呈现先持续减小，后增大的变化趋势。且总体而言，掺加纤维后试样2个透水性能指标值均小于未掺纤维的再生透水混凝土。这与抗压强度及劈裂抗拉强度存在相反的变化规律，表明聚丙烯粗纤维长径比对强度与透水系数的改善不能同时兼顾。这可能是聚丙烯粗纤维在对再生透水混凝土进行加筋增强作用的同时，较粗的纤维构造阻挡了部分透水孔隙，进而导致透水性能指标的降低，且在对强度改善效果最佳(长径比为100)时，透水性能最低。

2.4 耐磨性能

当透水混凝土作为路面材料使用时，必须具备一定的耐磨性能，以保证路面结构的稳定[19-20]；
不同长径比聚丙烯粗细纤维再生透水混凝土的耐磨性试验，结果如图4所示。

图4 纤维长径比对耐磨性的影响曲线Fig.4 Effect curve of fiber length ratio on wear resistance

从图4可以看出，根据CJJ/T 135—2009对透水混凝土路面耐磨性能要求(≤35%)，所有试样耐磨性均满足规范要求。相较未掺加纤维再生混凝土试样，掺加2种聚丙烯纤维后，所有试样质量损失率均减小，表明2种纤维均可显著改善再生透水混凝土耐磨性能。这可能是由于纤维的加入增强了透水混凝土表层水泥胶浆以及水泥胶浆与集料的粘附性能，在增强了混凝土强度的同时，也增强了耐磨性能。相较未掺纤维的RPC，掺入2种聚丙烯纤维后PRPC的质量损失率均呈现先减小后增大的变化趋势，表明聚丙烯纤维对耐磨性能的改善存在最优长径比，细纤维、粗纤维最优长径比分别为387与100，对应纤维长度分别为12、45 mm。与强度改善机理类似，在固定掺量条件下，过长的长径比将导致纤维数量的减少，这是因为一方面过长的纤维存在离析导致的分散不均匀；
同时纤维数量的降低也将减小再生透水混凝土改性区域。

通过研究粗、细2种聚丙烯纤维长径比对再生透水混凝土28 d抗压强度、劈裂抗拉强度、连续透水孔隙率、透水系数以及耐磨性能影响，得到如下结论：

(1)掺入再生集料后，透水混凝土抗压强度增大。对劈裂抗拉强度、透水性能及耐磨性能均有不利影响，但再生透水混凝土各指标均满足规范要求；

(2)2种纤维长径比对再生透水混凝土28 d抗压强度、透水性能存在较大甚至相反的影响规律，对劈裂抗拉强度与耐磨性能存在相似的影响规律，均为先提升，后降低；

(3)整体而言，除透水性能外，聚丙烯细纤维与粗纤维最佳长径比分别为378、100，对应长度分别为12、45 mm。在最佳长径比下，粗纤维对再生透水混凝土改善效果优于细纤维。